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  <title>《时间的形状——相对论史话》读书笔记 | 姜勇的博客</title>
  






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          《时间的形状——相对论史话》读书笔记
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        <h2 id="基本信息"><a href="#基本信息" class="headerlink" title="基本信息"></a>基本信息</h2><ul>
<li>作者：汪洁</li>
<li>出版社：北京时代华文书局</li>
<li>阅读进度：100%</li>
<li>阅读日期：2018年</li>
<li>书籍来源：微信阅读</li>
</ul>
<h2 id="阅读心得"><a href="#阅读心得" class="headerlink" title="阅读心得"></a>阅读心得</h2><p>相对论也是在本科学习过的知识，所以这本科普著作理解起来不难。从我的角度来看，想给一个不曾了解过相对论的人来科普相对论，最重要的一点就是让他真实地理解什么是光速不变，即在任何惯性坐标系下，观测到的光速都是恒定的。比如，我站着不动，我以10m/s的速度来跑，我以200000km/s的速度来跑，测量到的光速都是299792458m/s这个数值。从这个角度出发，就可以很容易地理解狭义相对论的内容了。</p>
<p>此外，这本书也让我了解了广义相对论以及弦论的一些基本知识，很棒！</p>
<h2 id="重点摘录"><a href="#重点摘录" class="headerlink" title="重点摘录"></a>重点摘录</h2><ul>
<li>认识到爱因斯坦的相对论足以让上帝对渺小的人类产生敬畏。作为人类的一分子，我以此感到深深的自豪！</li>
<li>爱因斯坦在晚年一直很不喜欢别人把他的理论叫作“相对论”，他自己觉得他的这个理论应该叫作“不变论”，因为他的理论中最重要的部分是那些数学方程式中的不变量。爱因斯坦深以为自豪的是他发现了宇宙中一些永恒不变的常量，更何况整个相对论都是从“在任何惯性系中，所有物理规律保持“不变”和“在真空中光的传播速度恒定不变”这两条原理上发展而来的。</li>
<li>波普尔是一个著名的科学哲学家，他阐明了一个被科学界广为接受的道理：所有的物理规律（或者说科学定律）都是无法真正完全“证实”的，通俗来讲就是科学规律永远不可能用摆事实讲道理的方法来给你证明，尤其是证明给那些伪哲学家们。</li>
<li>奥卡姆剃刀原理说的首先是这样一个道理：如果你发现了一个很奇怪的现象，要对它进行解释就不得不做很多假设，可能不同的解释需要不同的假设，而根据奥卡姆剃刀原理，那个需要假设最少的解释往往是最接近真相的解释。</li>
<li>思维实验——在大脑中运行的实验。</li>
<li>佯谬——乍一看肯定是不对的，但没想到却是真的。</li>
<li>伽利略相对性原理：在任何惯性系中，力学规律保持不变。</li>
<li>相对性原理说的就是：在任何惯性系中，力学规律保持不变。</li>
<li>伽利略变换式的伟大意义就在于，他用数学的方法证明了伽利略相对性原理。</li>
<li>每一个参考系都有自己的特殊时间，如果不指明参考系，宣称一件事情同时发生是没有任何意义的</li>
<li>爱因斯坦说的没有物体的运动速度能够超过光速，准确地说，是没有能量和信息的传递速度能超过光速。</li>
<li>加速度和重力等效，加速度和重力等效，加速度和重力等效……</li>
<li>因此，只要考虑了引力场，任何参考系，不论是加速还是减速直线运动，还是非直线运动，都可以分解为惯性系不变、引力在发生变化。因此，最重要的是我们要找出一个引力场方程来。在狭义相对论中，我们只研究了时间、空间、运动这三者的关系，现在我们必须再加入一个重要的对象，那就是——引力！</li>
<li>引力越大，光线也就弯曲得越厉害。再根据等效原理，加速度就是引力，引力就是加速度，因此，加速度同样会造成光线的弯曲。</li>
<li>引力其实造成的是时空弯曲，也就是时间和空间同时被弯曲了。</li>
<li>这就是广义相对论的时空弯曲效应，在引力越强的地方，时空被弯曲得越厉害，也就是时间变得越慢。</li>
<li>引力的实质并不是一种力，只不过就是空间弯曲的外在表现而已，没有什么无形的线，只有弯曲空间这个实质。</li>
<li>人类最可贵的精神就在于无限的想象力，没有这些想象力，我们是不可能从茹毛饮血的古人类进化成为能登上月球的万物之灵的，从这个角度来说，我们都应该感谢科学家、幻想家甚至妄想家。</li>
<li>宇宙最不可理解之处在于它竟然是可解的。</li>
<li>当你朝前面跑时，前方的自己也开始跑，只用了几步你又跑到了自己出发的位置，不管你朝任何一个方向飞去，都会回到原点，这是一个无限循环的三维空间，你根本不可能“出去”，因为根本没有“外面”，整个宇宙就在你眼中，这就是“有限无界”的宇宙观。</li>
<li>在星际殖民时代，必须建立宇宙历、宇宙标准时和统一的时空坐标参照系。</li>
<li>星际贸易第一定理：做贸易别忘了利率，而且计算利息记得一定要用宇宙历，千万别用自己飞船上的时间；星际贸易第二定理：随着贸易的往来，不同星球间的利率最后一定会趋于一致。</li>
<li>宇宙中的任何事件都只能影响它的将来光锥内的物体，凡是在事件的将来光锥外的物体不会受该事件的任何影响。</li>
<li>玻尔有一句名言：“如果你不对量子物理学感到困惑，那说明你没有搞懂量子物理学。</li>
<li>贝尔不等式是用严格的数学手段推导出来的，数学是凌驾于物理学之上的规律。</li>
<li>在我们日常身处的常规尺度下面，用牛顿物理学就足够了。但是随着尺度的不断扩大，尤其是扩展到了宇宙尺度的时候，就必须要用相对论来解释宇宙万物的规律了。而随着尺度的不断缩小，到了量子的世界，就必须要用量子理论来解释了。简言之就是：尺度越大，相对论与实际观测结果越符合；尺度越小，量子理论与实际观测结果越符合。但是要命的是这两大现代物理学的基础理论似乎是不相容的，它们不可能同时正确。</li>
<li>这个包容了牛顿理论、相对论、量子理论的新理论，物理学家们给它起了一个名字，叫作“T. O. E.”也就是英文“Theory of Everything”的首字母简写，中文叫作“万物理论”。</li>
<li>在超弦的世界中，一个个振动着的“橡皮筋圈”就是构成物质的最小单位，不同的振动频率构成了不同的基本粒子，不同的基本粒子组合又构成了质子、中子和电子，质子和中子组合在一起构成了原子核，原子核和电子一起构成了原子，原子构成分子，分子构成材料，材料构成了世间万物，包括你和我。</li>
<li>如果有一种理论能称为万物理论的话，那么它首先要解决我们这个宇宙中最基本的两个问题：（1）物质到底由什么东西构成的，怎么形成的，物质有没有最小单位？（2）宇宙中的“力”到底是什么，有没有一种最基本的理论和一个统一的公式，能描述宇宙中所有的“力”？</li>
<li>其实，要观察一个东西的形状和性质不是一定要直接观察，还可以通过一种间接的办法去了解这个东西，我把它叫作“子弹射击法”。</li>
<li>上帝留给了人类两道终极思考题：一道题是，用一个统一的理论解释所有基本粒子的起源和成因；另一道题目是，把宇宙中的四种基本作用力用一个统一的数学公式描述出来。</li>
<li>弦理论是21世纪的理论偶然落到了20世纪，被好运气的物理学家们拾到了。</li>
</ul>
<h2 id="书籍评论"><a href="#书籍评论" class="headerlink" title="书籍评论"></a>书籍评论</h2><blockquote>
<p>本书的副标题是《相对论史话》，这本书主要介绍了物理学的坎坷历程和神奇的四维时空奇景。今天的物理学信仰，并非一蹴而就的，而是凝结了一代又一代科学家们的心血。在作者看来，科学精神比科学故事更重要。毫无疑问，《时间的形状》对我们建立一个崭新的宇宙观是大有裨益的。</p>
<p><strong>一、麦克尔逊-莫雷实验为什么被称为科学史上最成功的失败？</strong></p>
<p>麦克尔逊-莫雷实验是麦克尔逊、莫雷这两个物理学家做的一个测量光速的实验，实验的直接目的是：证明光速在顺风、逆风中是有差异的。如何证明呢？那便要利用到光的干涉性质。</p>
<p>光的干涉现象，是英国人托马斯·杨发现的。当光通过双缝照射到白墙上，我们会看到白墙上是明暗相间的条纹，这就是光的干涉现象。</p>
<p>麦克尔逊、莫雷猜想，由于这两束光的速度不同，因此它们产生的干涉条纹肯定和我们正常实验所产生的干涉条纹有差别。如果转动实验装置的话，由于两束光的速度会相应地发生变化，那么干涉条纹的条纹也应该慢慢的移动。</p>
<p>最终的实验结果出乎意料，麦克尔逊和莫雷的干涉仪没有观察到条纹的任何移动。</p>
<p>这个实验震惊了物理学界，颠覆了人们常识，给整个经典物理学说都笼罩上了一层乌云。因为麦克尔逊-莫雷实验是建立在伽利略变化式、牛顿的绝对时空观和以太学说上的，按照预期的实验结果，恰好可以证明以太的存在。但这个实验反倒证明了光速不变，以太不存在。</p>
<p>20世纪初，麦克尔逊-莫雷实验这朵乌云终于掀起了狂风大浪，使物理学迎来了新纪元。</p>
<p>1905年是物理学的奇迹年。巨星阿尔伯特·爱因斯坦登场了，那年他发表了五篇论文，论述了他的几大成果。汪洁说，这五篇论文，每篇都像一颗耀眼的超新星，照亮了宇宙，改变了物理学的纪元。</p>
<p><strong>二、物理学史上著名的双生子佯谬是怎么回事？</strong></p>
<p>双生子佯谬是在应用狭义相对论时发现的，根据狭义相对论，时间会膨胀。时间膨胀，就是时间变慢了。这里说的时间变慢了，不是指计量时间的任何外在机械的问题，而是指时间本身变慢了。</p>
<blockquote>
<p>双生子佯谬是一个思维实验，假设有对双胞胎，哥哥坐上了一艘亚光速飞船，飞离了地球，离开了地球上的弟弟去太空旅行。弟弟见哥哥飞上太空，想到的是，等哥哥回来，我就比哥哥老了。而坐在飞船上的哥哥却不这么想，他会觉得是地球载着弟弟飞离自己而去，所以感慨道，等再次与弟弟见面时，自己就更老了。那么，你觉得等他们再次见面时，究竟是谁更年轻了呢？</p>
</blockquote>
<p>汪洁从广义相对论的角度对双生子佯谬进行了解释。</p>
<p>在狭义相对论中，研究的是时间、空间和运动三者之间的关系。在广义相对论中，爱因斯坦加入了引力。根据等效原理，爱因斯坦又得出了引力使得光线弯曲的结论。因为引力就是加速度，同样，加速度也会造成光线弯曲。</p>
<p>因为信号传递需要时间，所以哥哥和弟弟都会觉得双方的时间变慢了。因此，只要哥哥乘着宇宙飞船离地球而去，匀速飞行，那么兄弟两个都知道，对方跟自己相比是越来越年轻了。</p>
<p>但是如果哥哥掉头回去追弟弟，那么哥哥必须先减速，再加速，由于等效原理，加速度就是引力，引力就是加速度，加速度让时空弯曲，所以时空弯曲效应在哥哥那里显现出来。哥哥的时间变慢，弟弟的时间飞逝，因此哥哥变得比弟弟更年轻。</p>
<p><strong>三、我们能不能回到过去？</strong></p>
<p>广义相对论研究的课题之一就是时间旅行。我们知道，引力会使时空弯曲，引力越大，弯曲的程度就越大。这就是说，时空其实不是平坦的，而是有形状的。</p>
<p>在广义相对论中，回到过去是通过一个时空圈环实现的。时空圈环在霍金的《时间简史》中被称为“类时闭合曲线”。时空圈环，其实正是爱因斯坦和他的助手罗森一起发现的虫洞的某种特性。</p>
<p>在说虫洞前，我们要先说说黑洞。假如我们把宇宙空间想成一个网，任何有质量的物体放在这张网上都会下陷，质量越大，体积越小，在网上陷入的就越深。随着下陷程度的增加，这张网好像就有了一个洞。</p>
<p>开始黑洞只是作为一个数学概念，不过随着研究逐渐深入，人们运用很多方法观察到了黑洞。黑洞，其实就是宇宙这张网中时间和空间形成的一个洞，就像漏斗一样。如果宇宙中，有两个这样的漏斗，漏斗嘴与漏斗嘴接上了，就形成了虫洞。</p>
<p>虫洞是爱因斯坦和助手罗森共同发现的，人们称为爱因斯坦-罗森桥。虫洞不仅可以连接遥远的宇宙空间，也可以连通时间，因而可以让你突然跨越几百光年，出现在另外一个地方；也可以让你从现在飞越到未来，或者穿越到过去。</p>
<p>但要实现时间旅行，以目前人类的技术是不可能达到的。因为要扭曲时空，就必须要有巨大的引力，要产生引力，就要有巨大的质量，而质量和能量又是互相转换的。因此，归根结底，要想时间旅行必须要有巨大的能量。但即使用上全球一年消耗的能量，也不能打开一个只有几纳米大小的虫洞或者让时空弯曲成一个时空圈环。</p>
<p>最早知道汪洁是在网易课堂上，他善于讲科学故事，喜欢听他用生动的情节装点科学理论的大厦。《时间的形状》也是这样的书，时间有形吗？虽然看不见，这却是相对论的基础。坦白说，虽然讲得很生动，仍然不能清晰的理解。如作者所言，科学精神比科学知识更重要，个人理解，科学精神是假设和实证，是勇于探索，不断钻研和敢于自我否定的精神，这世界尚有太多的未知和神秘有待被发现和解读，真理和谬论其间只有一线之隔，而学习、实践是探索发现世界的根本路径。</p>
<p>作者：陈陈_19b4</p>
<p>链接：<a href="https://www.jianshu.com/p/9523093c7b1f" target="_blank" rel="noopener">https://www.jianshu.com/p/9523093c7b1f</a></p>
<p>来源：简书</p>
<p>著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。</p>
</blockquote>
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    <strong>本文作者： </strong>ChiangYung
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